rancang bangun sistem pedal power sebagai energi alernatif

RANCANG BANGUN SISTEM PEDAL POWER SEBAGAI
ENERGI ALERNATIF
M. Thanthawi Yahya 1,Ir.Moh.Zaenal Effendi,MT.2, M. Machmud Rifadil SST, MT3
1
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Industri,
2
Dosen Pembimbing pertama, 3 Dosen pembimbing kedua
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111
Telp (+62) 031-59447280 .Fax (+62) 031-5946114
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Dimana roda sepeda sebangai penggerak yang diputar oleh pedal fungsinya untuk memutar generator.
Vasil energi dari generator di simpan dalam sebuah accu, untuk menyuplai beban. Sebelum menyuplai beban di
searahkan DC ke AC dengan inverter I phasa dan di step up dengan menggunakan trafo step up untuk menyuplai
beban. Sensor tegangan dan sensor arus sebagai indikator untuk setiap plant.
Maka akan ketemu berapa daya yang dihasilkan selanjutnya daya tersebut di konversi ke energi untuk
mencari nilai kalori maka ketemu berapa kalori yang dihasilkan. Dalam arti berapa tegangan yang dihasilkan
maka kalori yang dihasilkan berapa, begitu juga sebaliknya. Dengan menggunakan metode PI yang dikontrol oleh
mikrokontroler Atmega 8535. Mengontrol PWM dari Back Converter tegangan yang dihasilkan oleh generator DC.
terlalu rendah atau terlalu besar tegangan yang di hasilkan maka PWM mengatur tegangan sesuai dengan nilai
shet poin yang diinginkan.
Dengan menampilkan nilai kalori, bisa mengetahui berapa kalori yang kita keluarkan untuk mengeluarkan
tegangan dan arus pengisian pada aki. arus yang di keluarkan oleh generator sebesar 2 ampere jadi lama
pengecesan agar aki menjadi penuh sekitar 13 jam, karena alat ini ditaruh di fasilitas umum,misalnya di tempat
fitnes. Di amsumsikan setaiap orang mengayuh sepeda selama 1 jam. Maka pengecesan aki untuk menjadi penuh
semakin cepat dari perhitungan.
Kata kunci: PWM, generator DC, sensor arus, sensor tegangan, PI, inverter 1 phasa, mikrokontroller ATmega
8535, trafo step - up.
I.
Dimana Rancang Bangun Sistem Pedal
Power Sebagai Energi Alternatif, itu
sendiri mempunyai dua manfaat yaitu
menghasilkan
energi
dan
juga
menyehatkan badan. Karena
di saat
menjalankan alat tersebut kita mengkayuh
pedal sepeda dan sedangkan roda sepeda
memutar generator dan generator pun
menghasilkan energi listrik selanjutnya di
simpan dalam aki (ACCU). Harapan
dalam penelitian proyek akhir ini adalah
dimana alat ini bisa menjadi sebuah solusi
yang tepat untuk mengatasi krisis energi
yang dihadapi sekarang. Dan tidak kalah
pentingnya bahwa alat ini untuk daerah –
daerah yang terpencil yang belum pernah
tersentuh oleh listrik sama sekali.
PENDAHULUAN
Kebutuhan akan sebuah energi sangatlah
luar bisa, dari hal sepele sampai besar
semuanya menggunakan energi listrik.
Contoh kasuh yang kecil adalah setiap
kebutuhan rumah tangga sebagian besar
sudah menggunakan listrik sebagai
sumbernya. Dimana sekarang bahan baku
utama (batu bara) untuk membakitkan
listrik semakin menipis mungkin 15 tahun
atau 20 tahun kedepan semuanya sudah
habis. Mungkin tidak bisa dibayangin jika
itu habis.
Sudah saatnya kita menghemat energi atau
mengembangkan energi alternatif yang
ramah lingkungan dan juga murah biaya
operasionalnya. Dalam proyek akhir ini
yang berjudul Rancang Bangun Sistem
Pedal Power Sebagai Energi Alternatif.
Menjadi salah satu solusi untuk mengatasi
masalah diatas.
1
II.
Selain dinyatakan dengan Joule, energi
listrik dapat dinyatakan juga dengan
kalori.
DISAIN PERENCANAAN
Pada Bab ini di bahas mengenai
perencanaan pembuatan alat software dan
hadware dari sistem rancang bangun pedal
power sebagai energi alternatif. Pada
gambar 3.1 merupakan blok diagram
keseluruhan sistem.
Karena
1
kalori
=
4,18
Joule…………………………..…(1)
…………………………..(2)
Oleh karena itu rumus energy lisrik
menjadi :
II.1
Perencanaan
Converter

Gambar 2.1 blok diagram keseluruhan
sistem
Tugas akhir ini tentang rancang bangun
sistem pedal power dimana sistem pada
plant ini adalah sebuah generator dikayuh
oleh pedal sepeda untuk mengkonversi
dari energi gerak menjadi energi listrik.
Tegangan yang keluar dari generator
masuk ke rangkaian buck converter, disini
tegangan yang keluar dari generator di
olah tegangannya oleh buck converter
menjadi konstan yaitu 14 Volt. Tujuannya
untuk bisa mengeces aki karena untuk
bisa mengeces aki tegangannya harus di
atas tegangan yang ada di nameplate aki
tersebut. Kebetulan aki yang dipakai
adalah 12 Volt 26 AH. Setelah mengeces
aki sampai penuh maka digunakan untuk
menyuplai beban yaitu beban resistif
(lampu dan kipas angin). Karena tegangan
aki DC sedangkan bebannya AC maka
diperlukan inverter 1 phasa untuk
mengubah tegangan DC menjadi AC
kemudian di step up ke 220 Volt dengan
menggunakan travo step up.
Dengan menggunakan metode PI
dimana yang dikontrol adalah sensor
tegangan. Tujuannya adalah tegangan
yang keluar dari buck converter bisa
konstan, walaupun tegangannya besar
maka buck converter menurunkan
tegangan tersebut menjadi konstan yaitu
14 Volt. Selain sensor tegangan ada juga
sensor arus dimana fungsinya untuk
monitoring arus yang keluar dari buck
converter. Selain itu sensor arus juga
berfungsi
sebagai
pengkali
untuk
mendapatkan nilai kalori. Menggunakan
rumus energi di konversi ke kalori .
…………………...(3)
Dan
Pembuatan
Buck
AH battray (accu):
Tegangan = 220 Volt
Beban = - lampu 10 Watt x 2 = 20 Watt
- Kipas angin 26 Watt x 1 = 26
Watt
Total beban = 46 W
Misal : efisiensi inverter = 85%
η=
Arus Input Inverter:
-
Asumsi pemakaian 6 jam maka AH
battray = 4,4 A x 6 = 26,5 ≈ 27 AH
Aki yang di pakai = 12 volt 27AH
Asumsi pengecasan aki 10 jam maka
-
Misal : efisiensi buck converter = 85%
Jadi Pout aki= Pinaki=Pin Inverter= Pout Buck
Converter = 55 W
η=
-
Disaint buck converter
Vin= 15 - 52 V
Vout = 14 V
Iout= 4,32 A
F =25 khz
∆Vo = 0,1%
∆IL = 20%
2
Menentukan kawat AWG:
-
Gambar rangkaian
Di split menjadi 3 sehingga
AWG yang dipilih no 22 diameter 0,64 mm
- perhitungan rangkaian snubber
- Perhitungan duty cycle
- perhitungan nilai inductor
cara 1.
II.2
Cara 2.
Perencanaan Dan Pembuatan Inverter Full
Bridge Satu Phase
Rangkaian inverter ini digunakan untuk
merubah tegangan DC keluaran dari full bridge
DC-DC converter menjadi tegangan AC
sebesar 220 V. Komponen semikonduktor yang
digunakan adalah IGBT. Gambar 3.9
menunjukkan gambar rangkaian inverter.
Besarnya tegangan yang keluaran inverter
bergantung pada sudut penyulutan dari base
MOSFET. Pengaturan rangkaian trigger ini
dilakukan dengan Pulse Width Modulation
(PWM).
- Perhitungan capasitor
- jumlah lilitan
Gambar 2.2 Rangkaian Inverter Full
bridge 1 phasa
Panjang kawat
3
//delay_us(1);
ch2 = 0;
ch3 = 0;
}
else
{
ch2 = 1;
ch3 = 1;
//delay_us(1);
ch1 = 0;
ch4 = 0;
Gambar 2.3 Inverter 1 phasa
}
status = !status;
Rangkaian daya Inverter satu fasa jembatan
penuh terdiri dari 4 buahsaklar semikonduktor
dalam hal ini adalah mosfet. Saklar S1 dan S4
ON-OFF secara bersama-sama demikian juga
saklar S2 dan S3. Pada saat saklar S1 dan S4
ON, maka saklar S2 dan S3 OFF. Oleh karena
itu pada saat saklar S1 danS4 ON maka
tegangan input +VDC akan melewati beban.
Dari penjelasan ini dapat digambarkan
gelombang keluaran dan tegangan pada saklar
semikonduktor seperti ditunjukan pada
Gambar 3.8
}
II.3
Perencanaan Dan Pembuatan Travo Step Up
Dalam pembuat travo step up kali ini dengan
inputan 12 Volt dan tegangan ouput 220 Volt.
1.
Jenis transformator : Transformator stepup
Parameter yang diketahui :
Vp = 12 V
Is =
Vs = 220 V
Efisiensi = 80 %
2.
Menentukan daya primer dan daya
skunder
P primer =
=
= 57,4 VA
Menentukan arus primer dan arus skunder
3.
4.
Gambar 2.4 keluaran Inverter 1 phasa
Program inverter pada mikrokontroler dengan
frekuensi 50 Hz:
// Timer 0 output compare interrupt service
routine
interrupt
[TIM0_COMP]
void
timer0_comp_isr(void)
{
Menentukan Inti Besi (KERN)
 Panjang inti (b) :
 Lebar/tinggi inti besi ( h ) :
 Luas penampang inti (A) :
//bit status;
ch1 = 0;
ch4 = 0;
//delay_us(1);
ch2 = 0;
ch3 = 0;
delay_us(10);
 Berat KERN
Berat
KERN
(dalam
=1,5xDaya primerx7,8
gram)
= 1,5
if(status)
{
ch1 = 1;
ch4 = 1;
x 57,5 x 7,8
=
672,75 gram
4
5.
Menghitung jumlah lilitan primer dan
skunder
Lilitan primer :
Lilitan skunder :
Gambar 2.5 gambar trafo step up
6.
Menentukan ukuran
(AWG)
Diameter kawat primer (
kawat
tembaga
):
Gambar 2.6 trafo step up input
Diameter kawat skunder ( ) :
Maka ukuran kawat yang digunakan adalah 1
mm untuk lilitan primer dan 0,25 mm untuk
lilitan skunder
7.
Gambar 2.7 trafo step up output
II.4
Total kawat AWG yang diperlukan :
Keliling Bobin Inti Induktor
=
= 11,28 cm ≈ 12 cm
Jika Toleransi Panjang Kawat = 50%
Perencanaan Dan Pembuatan Sensor.
A. Sensor Tegangan
Sensor tegangan pada plant kali ini
menggunakan
sensor pembagi tegangan.
Komponen utamanya adalah resistor yang di
paralel. Untuk prinsip kerja sendiri hanya
mengluarkan tegangan pada buck converter.
= 720 + 360 c
= 1080 cm = 10,80 m
Gambar 2.8 rangkaian sensor tegangan
= 12660 + 6330
= 18990 cm = 189,90 m
Dari perhitungan diatas maka travo step up
yang dihasilkan seperti pada gambar di bawah
ini:
Untuk pembuatan sensor pembagi
tegangan dapat dihitung seperti dibawah ini,
untuk tegangan input 14 Volt dari keluaran
buck converter:
5
B. Sensor Arus
Sensor arus ini mengunakan ACS7125A-T yang memiliki kemampuan arus
sampai 20 Ampere. Keluaran dari ACS
ACS712- 5A-T adalah tegangan dc ripple.
Perubahan yang dihasilkan dari keluaran
sensor arus ACS ACS712-5A-T ini sangat
kecil sekitar 100 mV setiap perubahan 1
Ampere (sesuai data sheet). Pada gambar 3.6
merupakan modul ACS ACS712-5A dan
untuk gambar rangkaian sensor arus pada
gambar 3.7
Gambar 3.1 alat Sistem pada kontrol pedal
power
III.1 . Pengujian Sensor Tegangan
Sensor tegangan ini menggunakan
pembagi tegangan sehingga dilakukan
pengujian pada tegangan ke)uaran pada
buck converter. Tegangan yang keluar
dari buck converter di kontrol oleh
mikrokontroller supaya tegangan ang
keluar clari buck converter menjadi
konstan 14 Volt. Untuk pembuatan alat
bisa dilihat Gambar 4.2, sedangkan
pengujian sensor tegangan di lihat pada
Tabel 3.1
Gambar 2.9 sensor ACS
Gambar 2.10 rangkaian sensor arus
III.
HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
Metode pengujian dilakukan dengan cara
pengujian setiap alat dan pengujian saat
semua alat diintegrasikan balk hardware
dan software
tegangan, sensor anus, buck converter,
inverter 1 phasa, travo step up,
mikrokontroller dan pengujian integrasi
sistem. Mat sistem pengontrolan pada
pedal power, bisa dilihat pada Gambar 3.1
dibawah ini.
Gambar 3.2 Rangkaian Sensor Pembagi
Tegangan
Tabel 3.1 Hasil Pengujian Sensor
Tegangan
6
Tabel 3.2 Data nenguiian sensor arus Acs
Dari Tabel 3.1 terlihat data hasil
pengukuran sensor tegangan yang diukur
pada tegangan yang disensor dan tegangan
keluaran dari sensor. Pengujian dilakukan
dengan memberi tegangan sumber 5 Volt
Dc sampai 35 Volt Dc dengan
menggunakan power supplay Dc.
Pengujian dilakukan dengan mengukur
tegangan keluaran dari rangkaian pembagi
tegangan. Hasil tegangan keluaran sensor
pada saat tegangan 5 Volt maka keluaran
tegangan sekitar 1,1 Volt dan pada saat
tegangan 35Volt maka keluaran tegangan
sekitar 8 Volt yang nantinya digunakan
sebagai tegangan sensor yang masuk ke
adc.
III.2
Pada Tabel 3.2 merupakan hasil pengujian
sensor arus. Pengujian ini dilakukan
dengan memberikan ants antara 0 sampai
dengan 2,9 Ampere. Kelm= sensor anus
ini berupa tegangan dc antara 1,915V
sampai dengan 2,264 V untuk arus 0
sampai dengan 2,9 Ampere. Untuk
melihat hasil pengujian sensor arus pada
Tabel 4.2 terlihat dari garfik antara anus
terhadap tegangan keluaran sensor
mendekati grafik linear yang nantinya
akan ditentukan persamaan garis untuk
digunakan sebagai persamaan penskalaan.
Dan hasil pengujian sensor anus telah
didapatkan besamya tegangan dc.
Tegangan dc ini digunakan untuk
pengolahan nilai pada mikrokontroller.
Tegangan dc sebagai tegangan masukkan
pada ADC mikrokontroller yang nantinya
tegangan dc dikonversi menjadi nilai
desimal (adc 8 bit). Nilai ADC ini yang
akan diolah untuk penskalaan pada
pemrogaman
dalam
menampilkan
parameter arus dan tegangan. Berikut
adalah grafik perubahan tegangan output
sensor ACS712 terhadap arus yang
melewati sensor acs 712:
Peugujian Sensor Arus
Pengujian sensor dilakukan dengan
menggunakan variac sebagai beban.
Terdapat tujuh step dalam beban, dimana
setiap step bernilai 0.5A, Sensor arus ini
dipasang seri terhadap beban. Untuk
mengarnbil sinyal arus digunakan sensor
anus ACS712 -5A , yang nantinya masuk
ADC mikrokontroler.
Gambar 3.3 Getombang
keluaran sensor arus
III.3
tegangan
Pengujian Travo Step Up
Gambar 3.4 gambar trafo step up
7
Pengujian travo step up dari 12 Volt di
step up ke 220 Volt. Tegangan masukan
travo step up dari inverter 1 phase. Tapi
untuk pengujian kali ini travo step Up
diberi sumber variac 1 phasa dengan
tegangan output 12 Volt ac, beban yang
digunakan adalah lampu 25 watt sampai
80 watt.
Berikut ini adalah hasil gelombang pada
penyulutan
mosfet
IRFP460LC.
Sedangkan
drivernya
menggunakan
autocoper 4N25. Untuk menyulutan PWM
menggunakan mikrokontroller dengan
frekuensi 50 Khz.
Gambar 3.6 Rangkaian Inverter 1 phasa
Gambar 3.5 pengujian trafo step up
Data hasil pengujian travo step up dapat
dilihat Tabel 3.3
Tabel 3.3 data pengujian trafo step-up
Gambar 3.7 Rangkainan Driver Inverter 1
phasa menggunakan autoCoper 4N25.
Hasil penyulutan mosfetnya sehesar 50
Khz, dengan menggunakan PWM yang di
kontrol oleh mikrokontroller
Dad data di atas dapat diambil analisa
bahwa travo step up hanya bisa digunakan
secara maksimal dengan beban 50 Watt.
Karena pada awal pembuatan travo step
up di disaint untuk beban 46 Watt dengan
arus 0,2 ampere.
Gambar 3.8 gelombang penyulutan pada
mosfet Chl dan Ch4 dengan volt/div =5 V
dan time/div = 5ms
III.4 Pengujian Inverter full bridge 1
phasa
Pengujian inverter 1 phasa dengan
frekuensi 50 Khz yang di kontrol dengan
mikrokontroller.
Kerja
penyulutan
inverter itu sendiri seperti saklar on dan
off. Di saat Ch1 dan Ch4 on maka Ch2
dan Ch3 off begitu juga sebaliknya apa
bila Ch 1 dan Ch4 off maka Ch2 dan Ch3
on. Sedangkan keluaran gelombang
inverter berupa gelombang kotak.
8
Data pengujian inverter juga bisa berupa
tegangan inputnya di rubah - rubah untuk
mengetahui keluaran tegangan inverter.
Dengan cara mengubah nifai tegangan
input pada inverter dari 5 Volt dc sampai
12 Volt dc. Dapat diketahui nilai tegangan
output inverternya berupa tegangan Ac.
Menggunakan lampu 40 watt sebagai
beban. Data pengujian dapat dilihat pada
Tabel 3.4
Gambar 3.9 gelombang penyulutan pada
mosfet Ch2 dan Ch3 dengan volt/div = 5 V
dan time/div = 5ms
Tabel 3.4 basil nenguiian inverter 1 phasa
III.5 Pengujian Buck Converter
Pengujian buck converter kali ini dari
pembuatan dan pengukuran core sampai
keluaran tegangan input dan output buck
converter. Dengan beban yang berbeda
dan tegangan yang berubah - rubah dan
jugs duty cycle_nya. Dengan mengguakan
mikrokontroller dengan mitode PI dimana
tujuannya adalah mengontrol tegangan
keluaran buck converter supaya constan
14 Volt. Dalam pengujian kontrolnya
sendiri bisa mencapai 14 Volt, walaupun
tidak begin' sepurna tapi bisa mencapai
tegangan 13,53 sampai 14 Volt. Data basil
percobaan
untuk
percobaan
buck
converter bisa di lthat Tabel 4.5 dan Tabel
4.6 dari dua tabel tersebut yang
membedakan adalah beban dan tegangan
penyulutannya. Untuk Tabel 4.5 sumber
yang diberik.an langsung dari generator
Dc dan datanya bisa di lihat di bawah
Tabel 4.6 menggunakan somber dari
power suplay dengan tegangan konstan 30
Volt dan menggunakan beban lampu.
Gambar 3.10 gelombang output inverter
volt/div = 5 V dan time/div = 5ms
Gambar 3.11 pengujian inverter dengan
sumber power supplay 12 volt
Gambar 3.12 pengujian inverter dengan
sumber aki 12 Volt 26 Ah.
9
Tabel 3.5 sumber dari generator DC
dengan
beban
aki
Dari Tabel diatas bisa dilihat bagaimana
basil percabaart dan perhitungan daya
yang dipemleh dengan menggunakan
beban lampu. Semakin besar nilai Rpm
maka semakin besar nilai tegangan dan
arusnya begitu juga dengan nilai daya
yang dihasilkan. Daya output yang
dihasilkan sekitar 0,6 watt sampai
III.7
Pengujian Sistem Charger Dengan
Control
Tabel 3.8 data basil pengecesan dan
mementukan kalori yang dihasilkan.
Tabel3. 6 sumber dari power supplay
dengan beban lampu
Tabel 3.8 adalah data basil pengujian
secara sistem yang sudah di integrasikan
dengan alat - alat yang lainnya.
Dengan
data Tabel 3.8 untuk arus pengisian aki
penuh pada arus maksimum 1.14 Ampere
maka aki akan penuh selama 18 jam. Akan
habis selama 7 jam dengan beban 45 Watt.
Sedang ants pengisian pada arcs minimum
1.02 Ampere aki akan penubh selama 25
jam.
Untuk Rpm 1100 membutuhkan kalori
sekitar 616.43 dengan arus pengisian
maksimal. Aki akan penuh selama 18 jam.
III.6
Pengujian Sistem Charger
Pengujian kali ini dilakukan untuk
mengetahui berapa tegangan yang keluar
jika RPM dan tegaangan berubah - ubah
berdadarkan kecepatan atau RPM. Dari
RPM 300 sampai dengan 1500 RPM.
Dengan anus yang besar sekitar 1,2 A
maka bisa mengeces aki. Sesuai dengan
perhitungan pada disain menentukan buck
converter maka Aki yang digunakan
adalah 12Voh 26Ah.
Data yang diambil berpatokan pada RPM
pada motor maka didapat nilai yang di
inginkan seperti tegangan input dan
output, arus input dan ouput. Lebih
lengkapnya bisa dilihat di Tabel 3.7
ditabel
ini
data
yang
diambil
menggunakan beban lampu.
IV.
KESIMPULAN
kesimpulan yang didapat dari pengujian pada
alat serta basil yang didapat dari proses adalah
sebagai berikut :
•
Hasil percobaan diatas bisa diambil
kesimpulan dengan menggunakan w=
0,24 x V x I x t maka akan didapat
nilai kalori yang di inginkan.
•
Dengan menggunakan aki 12 Volt 26
AH dengan arus pengecesan sekitar
1,3 A sampai 2 A maka aki tersebut
bisa penuh kurang lebih 10 jam.
•
Kalori yang dihasilkan atau di hitung
perdetik jadi kalori maksimal yang
dihasilkan sebesar 616.43 kal.
Tabel 3.7 data sistem chanter nada
buck converter
10
•
V.
Dengan arus maksimal 1.14 maka
arus pengisian selama 18 jam untuk
aki menjadi penuh
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Charlotha."Pengontrol Motor DC
Sehagai Pengoptimal Torsi", Proyek
Akhir EEPIS-ITS, 2007, Surabaya.
[2]. Putra Dwi, Hijrah."Optimasi Daya
Listrik Pada Perternakan Ayam
Potong Dengan Siam ?Control Pi
Berbasih Mikrokontroller (Perangkat
Lunak)". Proyek Akhir EEPIS-ITS,
2007, Surabaya.
[3] H. Jogianto Adi."Konsep Dasar
Pemograman Bahasa C". ANDI,
2003, Yogyakarta.
[4]. Dwi Hartong:), Thomas Wahyu dan
Agung Prasetyo, Y. Wahyu. "Analisa
Dan Derain Sistent !Control Dengan
Matlap". ANDI, 2002, Yogyakarta.
[5]. Andrianto,
Heri."Pemograman
Mikrokontroller AVR ATMEGA 16
Menggunakan Bahasa C (Code
Vision AVRI". INFORMATIICA,
2008, Bandung
[6]_ Charlota,"Pengontrol Motor DC
Sebagai Pengoptimal Torsi". Proyek
Akhir EEPIS-ITS, 2007, Surabaya.
11